学术：聚合SDN控制的新一代空天地一体化网络架构
今日荐文的作者为西安电子科技大学专家陈晨，谢珊珊，张潇潇，任智源。本篇连载自论文《聚合SDN控制的新一代空天地一体化网络架构》，发表于《中国电子科学研究院学报》第10卷第5期。下面和小编一起开始学习吧~
天地一体化网络
天地一体化网络是以通信卫星、中继卫星、导航卫星等为主体，通过星间组网、星地高速通信链路，为侦察、测绘、资源、减灾、气象和海洋等应用卫星提供网络化信息服务，并与地面固定、无线通信网以及数据中心等地面信息基础设施深度融合的一体化网络，使之具备广域覆盖、实时获取、安全可控、随遇接入及按需服务的能力。
目前国外天地一体化网络发展势头强劲，如全球信息栅格 (Global Information Grid, GIG) 、转型通信体系结构TCA、NASA空间通信与导航计划SCaN、欧洲一体化全球通信基础设施ISICOM等涉及或者包含空间网络的系统在层次结构设计、空间网络构建、多用途综合应用等方面具有一些鲜明的特点。
国家“863”计划提出，未来我国网络建设的目标是，建成一个综合性的星间、星地及地面互联互通的天地一体化网络系统。物理上，通过天地链路将天基（卫星）网络和地基网络连接成一个一体化的互联网络；服务上，也不再局限于一种卫星，不仅服务某一类用户，而是通过具有安全防护能力的网络，为不同客户提供端到端的信息传输服务，实现信息共享和统筹建设。然而，相比国外，国内天地一体化网络刚刚起步，信息基础实施相对落后，各信息系统基本上是独立发展，无论是在网络资源、信息应用还是服务能力等方面都滞后于应用需求的快速发展，且多数采用专一设备，多种网络架构并存，多种网络协议交织，不利于体系的融合、部署周期较长，管理维护复杂且成本较高，也不利于扩展。
软件定义网络（SDN）
软件定义网络（SDN）是一种新型的网络架构，如图1所示。它将网络的控制平面与数据转发平面进行分离，从而简化了网络设备的结构，并通过统一、开放的API，将网络设备、资源进行抽象、虚拟化表达，从而实现可编程化控制底层硬件，实现对网络资源灵活的按需调配。
图1 SDN架构
在SDN网络中，原来各个网元设备中的操作系统，被抽象为独立、集中的网络操作系统（NOS），NOS负责对全网不同业务特性进行适配，从而对采用不同网络架构、设备型号、网络协议的网络进行集中、可编程配置管理，实现网络的融合部署，降低网络维护开销，提高网络性能和终端用户的服务质量。
基于SDN，本文提出一种新的空天地一体化网络架构，通过采用通用的网络设备、统一开放的接口和虚拟化技术，实现空天地网络在地理位置、业务类型、网络架构、接入技术等方面的深度融合，形成一个覆盖全面、管理统一、扩展灵活的天地网络。并且，通过简单地在控制器中切换、或更新应用软件，该一体化网络可以快速适应应用场景的变化，从而实现空地网络的无缝集成。
如图2所示为基于SDN的空地一体化网络架构，该网络构架大体分为天基(卫星)、空基、地基三层，三层既能独立工作，也能互联互通，通过异构网络融合，构成天地空合一的立体、多层、异构的宽带无线通信网络。
图2 基于SDN的空地一体化网络架构
地面SDN控制器集中式地对空中执行任务的无人机编队进行指挥，实时根据任务执行情况以及当前环境对网络资源进行调配，可以大大提升无人机编队的任务执行效率。无人机采集到复杂的地面观测信息后，也可以将信息回传至地面站进行处理，这样使得无人机不需要携带复杂决策和处理设备，提升了空基网络的续航和生存能力。在地面基站与空中无人机的通信链路失效时，也可以通过平流层的飞艇平台以及太空中的卫星作为中继节点与距离地面站较远的无人机进行通信，保证了整个网络的通信顺畅，进而保证了任务的执行。
2.1 架构描述
如图3所示，该网络共三层，各层独立工作时，除天基卫星通信网仍以传统方式工作外，各层都设有SDN控制器，控制器上运行各种管理配置应用程序，通过OpenFlow协议对网络状态维护、资源分配进行统一管理。各层之间的SDN控制器通过东西向接口通信，从而协调空地网络的资源分配，减小干扰，增强网络的连通性和抗毁性。
图3 基于SDN的空地一体化网络信息传递
天基网络由高空中继卫星，中继平台（飞艇）组成多级中继网络，与空基和地基网络构成分层网络体系结构，在空基网络无法直接与地面指挥中心进行通信时，可提供路由迂回，进一步提高系统的抗毁能力。
由于多架无人机组成编队协同完成任务的能力相比单架无人机增强很多，能够完成单架无人机无法完成的高精度定位、协同探测等复杂空间任务，此处我们选择无人机编队作为空基网络。无人机编队除可以进行地形勘测、敌情侦查等任务外，还可搭载LTE基站为地面、海面用户提供信号覆盖。
无人机与地面指挥中心可通过P2P直接通信，当无法与地面站直接通信时，可通过卫星中继与地面保持联系。每个无人机编队有一架领航机（搭载微型SDN控制器），负责维护编队信息，且任何一架无人机都可以充当领航机（当领航机主动切换为任务机，或者领航机故障时，选择编队中负载较轻的无人机作为领航机），以防某领航无人机出现故障、或能量不足时，编队整体失联，这样可以提高网络的可靠性和稳定性。
在地基通信网中,地面节点(包括移动用户终端、中继站或基站等)采用地面PMP/Mesh网络结构互联,从而获得超视距区域的话音、视频和高速数据传输等综合服务。地面节点可与升空平台以PMP的方式互联构建地空远程宽带无线中继通信网；多个升空平台以Mesh网络形式互联构成更大区域的覆盖网络。地面节点和升空平台还通过天基卫星实现远程中继,使区域覆盖网络接入骨干交换网。
2.2 空天地网络协议选择
空天地一体化网络其有着拓扑高度动态变化的特点，这大大阻碍了地面站与空中通信网络的通信，如何建立一个高效的空天地一体化网络，成为了我们的研究重点。无人机编队通信系统可采用多种技术方案。比如，数据链或移动自组织网络（Mobile Ad-hoc Network, MANET）。不过，目前数据链的容量有限，尚不能满足高速传输的需求，而MANET更适用于无人机自主编队组网。目前，可采用的MANET协议包括IEEE 802.15.4、IEEE 802.11x等。不过，802.15.4只能支持低速数据传输，难以支撑无人机编队高速、实时的数据传输。因此，基于IEEE 802.11x的通信协议更适合于无人机之间及其与地面基站的通信。
空天地一体化网络由于覆盖范围大，拓扑高动态变化，为了保证信息的传输，选择合适的路由协议是非常重要的。空天地一体化网络架构与移动Ad hoc网络十分相似，所以传统的Ad hoc网络路由协议的部分思想在空天地一体化网络中仍然可用，所以可参考移动Ad hoc的相应解决方法来解决空天地一体化网络的路由问题。比如：自组织网按需距离矢量路由协议（AODV，Ad-hoc On-Demand Distance Vector Algorithm）、动态源路由协议（DSR，Dynamic Source Routing )协议、最优链路状态路由协议（OLSR，Optimized Link State Routing Protocol OLSR）协议等。
3.1 路由协议仿真对比
本文采用OPNET仿真空天地网络的系统通信性能。首先，我们对路由协议进行仿真，本仿真是为了比较AODV路由协议和OLSR和DSR路由协议的性能，选取了端到端的时延作为对比指标。根据任务需求，无人机编队可采用多种编队构型（如：雁形、平行、纵列编队等），仿真中采用10机雁形编队，仿真时间为15min，以下是得到的仿真结果。
图4 AODV协议和OLSR协议端到端时延对比
从图4中可看出，在网络达到稳定后，AODV协议的端到端时延比OLSR协议的端到端时延大0.04s左右。反应式的AODV协议，当源节点需要发送数据而又没有到目的节点的有效路由时，就要进行重新寻路。重新寻路的过程会端到端的时延增大，但此时延在可接受的范围。
图5 AODV协议和DSR协议的端到端时延对比
从图5中看出，DSR协议的时延比AODV协议大了0.3s左右。该网络中节点的运动速度较高，节点位置不断变化，且网络负载较重，基本达到饱和状态。AODV协议是逐跳的，能够及时获得最新的路由信息；而DSR协议，有可能数据包从源节点出发的时候源路径还是完整的，但走到中途可能就出现路径毁坏的问题，不能及时应对链路的状态的变化，导致包不能被及时的发送出去，要进行重传或在缓存器里排队等待，所以导致有较大的时延。结合分布式卫星群中卫星高速运动的网络环境，AODV协议更合适。
结合上述分析以及各种典型路由协议的优缺点分析，故我们在空天地一体化网络中采用AODV路由协议。
3.2 网络架构方针对比
接下来，为了更好地评估聚合SDN控制的新一代空天地一体化网络架构，本文同时仿真传统空天地一体化网络与采用SDN架构的空天地一体化网络以作为对比。为了验证效果，降低复杂度，仿真中采用10架无人机进行编队，同时地面上有一个SDN中心控制节点，无人机之间采用Mesh架构相互通信，同时SDN控制器通过PMP网络对无人机编队发送指挥信息。
图6 吞吐量
网络吞吐量与业务负载的关系如图6所示。在网络未饱和前，随着业务负载的增加，网络吞吐量近似线性增加。当发包频率接近25时，同构网络达到饱和；如果业务负载继续增加，同构网络吞吐量会下降，但分层异构自组织网络的吞吐量依然会增加。这表明分层异构自组织网络具有更高的吞吐量，可承载更多的业务。
图7 时延
端到端传输时延与业务负载的关系如图7所示。传统空天地网络中端到端传输时延，远大于采用集中式管理的SDN空天地一体化网络，而且随着负载的增加而急剧升高。这是因为SDN控制器拥有全网拓扑信息，可以做到路由的全局优化，整个网络可以方便灵活的调动资源，从而提升了整个网络的性能。
随着地基网络的不断发展，单纯的地面网络已不足以承载各种复杂多变的业务，空天地一体化网络越来越引起人们的关注。本文针对目前空天地一体化网络存在的多终端，拓扑变化大等特点，地面基站难以操作等特点，提出了聚合SDN控制系统的空天地一体化网络。通过在地面控制端加入SDN控制器，可以方便直观的对复杂的空天地一体化网络进行控制，从而提升网络的运行效率。另外，空天地一体化网络结构十分复杂，本文还论证了网络中AODV路由协议更加适用。最后，论文在OPNET平台上对路由协议以及聚合了SDN控制器的空天地网络进行了初步仿真，结果表明相对比传统的空天地一体化网络，拥有SDN控制器的空天地网络整体性能更为优越。
本文发表于《中国电子科学研究院学报》第10卷第5期，版权归学报所有，阅读全文请联系我们。
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